Alkalinity and calcium carbonate in Earth system models, and implications for the ocean carbon cycle

L’alcalinité et le carbonate de calcium dans les modèles système Terre, et implications pour le cycle du carbone océanique

• Auteur / Autrice : Alban Planchat
• Direction : Laurent Bopp, Lester Kwiatkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biogéochimie marine et climatologie
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Sabrina Speich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Bopp, Lester Kwiatkowski, Sabrina Speich, Laure Resplandy, Corinne Le Quéré, Roland Séférian, Olivier Sulpis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Resplandy, Fortunat Joos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climatologie

Biogéochimie

Mots clés libres

Alcalinité

Cycle du carbonate de calcium (CaCO3)

Cyle du carbone

Acidification de l'océan

Pompe des carbonates

Biogéochimie marine

Alkalinity

Calcium carbonate (CaCO3) cycle

Carbon cycle

Ocean acidification

Carbonate pump

Marine biogeochemistry

Résumé

L’alcalinité de l’océan (Alk) est essentielle dans l’absorption de carbone atmosphérique et offre une capacité tampon contre l’acidification. Dans le cadre des prévisions de l’absorption de carbone par les océans et des impacts potentiels sur les écosystèmes, la représentation de l’Alk et du principal facteur de sa distribution dans l’océan profond, le cycle du carbonate de calcium (CaCO3), ont souvent été négligés. Cette thèse aborde le manque de considération accordé à l’Alk et au cycle du CaCO3 dans les modèles du système terrestre (ESM) et explore les implications pour le cycle du carbone dans un océan pré-industriel ainsi que dans des scénarios de changement climatique. À travers une intercomparaison des ESMs, une réduction des biais simulés de l’Alk dans la 6ème phase du Projet d’Intercomparaison de Modèles Couplés (CMIP6) est rapportée. Cette réduction peut s’expliquer partiellement par une calcification pélagique accrue, redistribuant l’Alk en surface et renforçant son gradient vertical dans la colonne d’eau. Une revue des modèles de biogéochimie marine utilisés dans les ESMs actuels révèle une représentation diverse du cycle du CaCO3 et des processus affectant l’Alk. Les schémas de paramétrisation de la production, de l’exportation, de la dissolution et de l’enfouissement du CaCO3 varient considérablement, avec une prise en compte généralement limitée à la seule calcite, et sans calcification benthique. Cette diversité entraîne des projections contrastées de l’export de carbone associé au CaCO3 depuis l’océan de surface vers l’océan profond dans les scénarios futurs. Cependant, des simulations de sensibilité effectuées avec le modèle de biogéochimie marine NEMO-PISCES indiquent que la rétroaction associée sur le flux de carbone anthropique et l’acidification des océans reste limitée. À travers un ensemble de simulations NEMO-PISCES, il est démontré qu’une attention particulière au bilan d’Alk est cruciale pour estimer le dégazage de carbone océanique pré-industriel dû aux apports fluviaux ainsi qu’à l’enfouissement de matière organique et de CaCO3. De telles estimations sont fondamentales pour évaluer le flux de carbone air-mer anthropique en utilisant des données d’observation, et mettent en évidence la nécessité de mieux contraindre le bilan d’Alk de l’océan. Enfin, fidèle au message qu’elle véhicule sur le changement climatique, cette thèse offre une perspective nouvelle et radicale sur les sciences du climat et le système de la recherche actuel.

Ocean alkalinity (Alk) is critical for the uptake of atmospheric carbon and provides buffering capacity against acidification. Within the context of projections of ocean carbon uptake and potential ecosystem impacts, the representation of Alk and the main driver of its distribution in the ocean interior, the calcium carbonate (CaCO3) cycle, have often been overlooked. This thesis addresses the lack of consideration given to Alk and the CaCO3 cycle in Earth system models (ESMs) and explores the implications for the carbon cycle in a pre-industrial ocean as well as under climate change scenarios. Through an ESM intercomparison, a reduction in simulated Alk biases in the 6th phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) is reported. This reduction can be partially explained by increased pelagic calcification, redistributing Alk at the surface and strengthening its vertical gradient in the water column. A review of the ocean biogeochemical models used in current ESMs reveals a diverse representation of the CaCO3 cycle and processes affecting Alk. Parameterization schemes for CaCO3 production, export, dissolution, and burial vary substantially, with no benthic calcification and generally only calcite considered. This diversity leads to contrasting projections of carbon export associated with CaCO3 from the surface ocean to the ocean interior in future scenarios. However, sensitivity simulations performed with the NEMO-PISCES ocean biogeochemical model indicate that the feedback of this on anthropogenic carbon fluxes and ocean acidification remains limited. Through an ensemble of NEMO-PISCES simulations, careful consideration of the Alk budget is shown to be critical to estimating pre-industrial ocean carbon outgassing due to riverine discharge and the burial of organic matter and CaCO3. Such estimates are fundamental to assessing anthropogenic air-sea carbon fluxes using observational data and highlight the need for greater constraints on the ocean Alk budget.